CCD图像传感器学习.pptx

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1、（Charge Coupled Device Charge Coupled Device，感光，感光耦合组件简称）是贝尔实验室的和于耦合组件简称）是贝尔实验室的和于19701970年发年发明的明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能电信号按顺序传送等功能,且集成度高、功耗低且集成度高、功耗低,因此随后得到飞速发展因此随后得到飞速发展,是图像采集及数字化处是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件理必不可少的关键器件,广泛应用于科学、教育、广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域。医学、商业、工业、军事和消费领域。CCD图像

2、传感器简介第1页/共43页CCD实物实物第2页/共43页常见的常见的基于基于CCDCCD光电耦器件的光电耦器件的设备设备第3页/共43页第4页/共43页嫦娥二号携带的嫦娥二号携带的CCDCCD立体摄像机立体摄像机第5页/共43页CCD图像传感器图像传感器CCDCCD图像传感器是按一定规律排列的图像传感器是按一定规律排列的MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导半导体）电容器组成的阵列。在体）电容器组成的阵列。在P P型或型或N N型硅衬底上生长一层很薄型硅衬底上生长一层很薄（约（约120nm120nm）的二氧化硅）的二氧化硅,再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属再在二氧化硅薄层上依次序沉积金属或掺

3、杂多晶硅电极（栅极）或掺杂多晶硅电极（栅极）,形成规则的形成规则的MOSMOS电容器阵列，再加电容器阵列，再加上两端的输入及输出二极管就构成了上两端的输入及输出二极管就构成了CCDCCD芯片。芯片。第6页/共43页CCD传感器的基本结构传感器的基本结构CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：1.MOS1.MOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）光敏元阵列；半导体）光敏元阵列；2.2.读出移位寄存器。读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光

4、敏元按线阵或面阵有规则地排列。平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。第7页/共43页 MOS光敏元结构光敏元结构 MOSMOS（Metal Oxide Semiconductor,MOSMetal Oxide Semiconductor,MOS）电容器是构成）电容器是构成CCDCCD的的最基本单元。最基本单元。第8页/共43页CCD分辨率分辨率分辨率指的是中有多少像素，也就是上有多少感分辨率指的是中有多少像素，也就是上有多少感光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。光组件，分辨率是图像传感器的重要特性。（像素（像素=分辨率长分辨率长宽数值相乘，如：宽数值相乘，如：640X480=30720064

5、0X480=307200，就是，就是30W30W像素）像素）CCDCCD分辨率主要取决于分辨率主要取决于CCDCCD芯片的像素数。芯片的像素数。其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。第9页/共43页CCD基本工作原理基本工作原理1.1.信号电荷的产生信号电荷的产生2.2.信号电荷的存贮信号电荷的存贮3.3.信号电荷的传输信号电荷的传输4.4.信号电荷的检测信号电荷的检测 工作原理工作原理第10页/共43页 CCDCCD工作

6、过程的第一步是电荷的产生。工作过程的第一步是电荷的产生。CCDCCD可以可以将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的将入射光信号转换为电荷输出，依据的是半导体的内光电效应（也就是光生伏打效应）。内光电效应（也就是光生伏打效应）。1.1.信号电荷的产生第11页/共43页信号电荷的产生（示意图）信号电荷的产生（示意图）金属电极氧化物半导体e-e-e-e-e-e-e-光生电子入射光MOSMOS电容器电容器第12页/共43页 CCDCCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电将入射光子激励出的电荷收集起来成为信号电荷包的

7、过程。当金属电极上加正电压时，由于荷包的过程。当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下电场作用，电极下P P型硅区里空穴被排斥入地成型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称称“势阱势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。势阱内吸的光子数与光强度成正比。2 2、信号电荷的存储、信号电荷的存储第13页/共43页一个一个

8、MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；光生电子称为一个电荷包；CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千器件内是在硅片上制作成百上千的的MOSMOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理器件的光电物理

9、效应基本原理。第14页/共43页信号电荷的存储（示意图）信号电荷的存储（示意图）e-e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-势阱势阱入射光入射光MOSMOS电容电容器器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG Uth 时第15页/共43页在栅极在栅极G G电压为零时，电压为零时，P P型半导体中的空穴型半导体中的空穴(多数载流子多数载流子)的分布的分布是均匀的。当施加正偏压是均匀的。当施加正偏压UG(此时此时UG小于小于p p型半导体的闽值电压型半导体的闽值电压Uth)，空穴被排斥，产生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将，空穴被排斥，产生耗

10、尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸。进一步向半导体内延伸。第16页/共43页 每个光敏元每个光敏元（像素）对应有三（像素）对应有三个相邻的转移栅电个相邻的转移栅电极极1 1、2 2、3,3,所有电所有电极彼此间离得足够极彼此间离得足够近近,以保证使硅表以保证使硅表面的耗尽区和电荷面的耗尽区和电荷的势阱耦合及电荷的势阱耦合及电荷转移。所有的转移。所有的1 1电电极相连并施加时钟极相连并施加时钟脉冲脉冲1,1,所有的所有的2 2、3 3也是如此也是如此,并施并施加时钟脉冲加时钟脉冲22、33。这三个时钟。这三个时钟脉冲在时序上相互脉冲在时序上相互交迭。交迭。三个时钟脉冲的时序第17

11、页/共43页3P型Si耗尽区电荷转移方向12输出栅输入栅输入二极管输出二极管SiO2CCDCCD的的MOSMOS结构结构第18页/共43页 CCDCCD工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就工作过程的第三步是信号电荷包的转移，就是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下是将所收集起来的电荷包从一个像元转移到下一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。一个像元，直到全部电荷包输出完成的过程。通过按一定的时序在电极上通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。以实现光电荷在相邻势阱间的转移。3、信号电荷的传输（耦合）、信号电荷的传输（耦合）第19页/共43页

12、(a)(a)初始状态；初始状态；(b)(b)电荷由电荷由电极向电极电极向电极转移；转移；(c)(c)电荷在电荷在电极下均匀分电极下均匀分布；布；(d)(d)电荷继续由电荷继续由电极向电极向电极转移；电极转移；(e)(e)电荷完全转移到电荷完全转移到电极；电极；(f)(f)三相三相转移脉冲转移脉冲第20页/共43页图中图中CCDCCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为10V10V的的(1)(1)电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压电极下面的深势阱中，其他电极加有大于阈值的较低的电压(例如例如2V)2V)，如图，如图(a)(a)所示

13、。一定时刻后，所示。一定时刻后，(2)(2)电极由电极由2V2V变为变为10V10V，其余电极保持不变，如图，其余电极保持不变，如图(b)(b)。因为。因为(1)(1)和和(2)(2)电极靠的很近电极靠的很近(间隔只有几微米间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来，它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在在(1)(1)下的电荷变为下的电荷变为(1)(1)和和(2)(2)两个电极共有，图两个电极共有，图(C)(C)示。此后，示。此后，改变改变(1)(1)电极上电极上10V10V电压为电压为2 V2 V，(2)(2)电极上电极上10V10V不变，如图不变，如图(d)(d)示，示，电荷将

14、转移到电荷将转移到(2)(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包向右转移了一个位置。向右转移了一个位置。第21页/共43页 CCDCCD工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转工作过程的第四步是电荷的检测，就是将转移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。移到输出级的电荷转化为电流或者电压的过程。输出类型，主要有以下三种：输出类型，主要有以下三种：1 1）电流输出电流输出 2 2）浮置栅放大器输出浮置栅放大器输出 3 3）浮置扩散放大器输出浮置扩散放大器输出 4 4、信号电荷的检测、信号电荷的检测第22页/共43页背照明光输入背照明光输入1电荷生成电

15、荷生成2电荷存储电荷存储3电荷转移电荷转移复位复位输出输出4电荷检测电荷检测半导体半导体 CCDCCD传感器传感器CCD工作过程示意图第23页/共43页 按照像素排列方式的不同，可以将按照像素排列方式的不同，可以将CCDCCD分为线分为线阵和面阵两大类。阵和面阵两大类。CCD结构类型第24页/共43页 目目前前，实实用用的的线线型型CCDCCD图图像像传传感感器器为为双双行行结结构构，如如图图（b b）所所示示。单单、双双数数光光敏敏元元件件中中的的信信号号电电荷荷分分别别转转移移到到上上、下下方方的的移移位位寄寄存存器器中中，然然后后，在在控控制制脉脉冲冲的的作作用用下下，自自左左向向右右移

16、移动动，在在输输出出端端交交替替合合并并输输出出，这这样样就就形形成了原来光敏信号电荷的顺序。成了原来光敏信号电荷的顺序。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出第25页/共43页面面型型CCDCCD图图像像传传感感器器由由感感光光区区、信信号号存存储储区区和和输输出出转转移移部部分分组组成成。目目前前存存在在三三种种典典型型结结构构形形式式，如如图图所所示。示。图图(a)(a)所所示示结结构构由由行行扫扫描描电电路路、垂垂直直输输出出寄寄存存器器、感感光光区区和和输输出出二二极极管管组组成成。行行扫扫描描电电路路将将光光敏敏元元件件内内的的信

17、信息息转转移移到到水水平平（行行）方方向向上上，由由垂垂直直方方向向的的寄寄存存器器将将信信息息转转移移到到输输出出二二极极管管，输输出出信信号号由由信信号号处处理理电电路路转转换换为为视视频频图图像像信信号号。这这种种结结构构易易于于引引起起图图像像模糊。模糊。第26页/共43页二相驱动视频输出行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3感光区存储区析像单元视频输出输出栅串行读出面型CCD图像传感器结构(a)(b)第27页/共43页图图（b b）所所示示结结构构增增加加了了具具有有公公共共水水平平方方向向电电极极的的不不透透光光的的信信息息存存

18、储储区区。在在正正常常垂垂直直回回扫扫周周期期内内，具具有有公公共共水水平平方方向向电电极极的的感感光光区区所所积积累累的的电电荷荷同同样样迅迅速速下下移移到到信信息息存存储储区区。在在垂垂直直回回扫扫结结束束后后，感感光光区区回回复复到到积积光光状状态态。在在水水平平消消隐隐周周期期内内，存存储储区区的的整整个个电电荷荷图图像像向向下下移移动动，每每次次总总是是将将存存储储区区最最底底部部一一行行的的电电荷荷信信号号移移到到水水平平读读出出器器，该该行行电电荷荷在在读读出出移移位位寄寄存存器器中中向向右右移移动动以以视视频频信信号号输输出出。当当整整帧帧视视频频信信号号自自存存储储移移出出后

19、后，就就开开始始下下一一帧帧信信号号的的形形成成。该该CCDCCD结结构构具具有有单单元元密密度度高高、电电极极简简单单等优点，但增加了存储器。等优点，但增加了存储器。第28页/共43页光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)第29页/共43页图图(c)(c)所所示示结结构构是是用用得得最最多多的的一一种种结结构构形形式式。它它将将图图(b)(b)中中感感光光元元件件与与存存储储元元件件相相隔隔排排列列。即即一一列列感感光光单单元元，一一列列不不透透光光的的存存储储单单元元交交替替排排列列。在在感感光光区区光光敏敏元元件件积积分分结结束束时时，转转移移控

20、控制制栅栅打打开开，电电荷荷信信号号进进入入存存储储区区。随随后后，在在每每个个水水平平回回扫扫周周期期内内，存存储储区区中中整整个个电电荷荷图图像像一一次次一一行行地地向向上上移移到到水水平平读读出出移移位位寄寄存存器器中中。接接着着这这一一行行电电荷荷信信号号在在读读出出移移位位寄寄存存器器中中向向右右移移位位到到输输出出器器件件，形形成成视视频频信信号号输输出出。这这种种结结构构的的器器件件操操作作简简单单，但但单单元元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。第30页/共43页 提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着提高分辨率与单纯增加像素数之间存在着一

21、种矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，一种矛盾。富士公司对人类视觉进行了全面研究，研制出了超级研制出了超级CCD(Super CCD)CCD(Super CCD)。超级超级CCD 传统传统CCD CCD 超级超级CCD CCD 第31页/共43页超级超级CCDCCD的性能提升的性能提升 1.1.分辨力分辨力 独特的独特的4545蜂窝状像素排列，其分辨力比传蜂窝状像素排列，其分辨力比传统统CCD CCD 高高60%60%。2.2.感光度、信噪比、动态范围感光度、信噪比、动态范围 像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改像敏元光吸收效率的提高使这些指标明显改善，在善，在300 300 万像素时提

22、升达万像素时提升达130%130%。3.3.彩色还原彩色还原 由于信噪比提高，且采用专门由于信噪比提高，且采用专门LSI LSI 信号处理信号处理器，彩色还原能力提高器，彩色还原能力提高50%50%。第32页/共43页CCDCCD和传统底片相比，和传统底片相比，CCD CCD 更接近于人眼对视觉更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光的工作方式。只不过，人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。作组成视觉感应。CCDCCD经过长达经过长达3535年的发展，年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型

23、。大致的形状和运作方式都已经定型。CCD CCD 的组的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。第33页/共43页传统三原色CCDSony发布的四色感应CCD-ICX456 新增的这个颜色加强了对自然风景的解色能力，新增的这个颜色加强了对自然风景的解色能力，让绿色这个层次能够创造出更多的变化。让绿色这个层次能够创造出更多的变化。第34页/共43页CCDCCD传感器应用传感器应用 CCDCCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术

24、，作为一种非常有效的非接触检测方法，为一种非常有效的非接触检测方法，CCDCCD被广泛用于在线检测尺被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。CCDCCD传感器应用时是传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。器。第35页/共43页自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机；作为机器人

25、视觉系统；作为机器人视觉系统；用于传真技术，文字、图象、车牌识别。例如用用于传真技术，文字、图象、车牌识别。例如用CCDCCD识别集成电识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；M2AM2A摄影胶囊（摄影胶囊（Mouth anusMouth anus）,由发光二极管做光源，由发光二极管做光源，CCDCCD做摄做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。入计算机将图像进行下载。第36页/共43页线性CCD图像传感器的应用实例尺寸检测尺寸检测第37页/共43页实例实例测量

26、拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。第38页/共43页由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。壁厚像。成像物镜的放大倍率为成像物镜的放大倍率为，CCDCCD相元尺寸为相元尺寸为t t，上壁厚、下壁厚分别为上壁厚、

27、下壁厚分别为n1n1、n2 n2，外径尺寸的脉冲，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为数（即像元个数）为N N，测量结果有：，测量结果有：分别为上壁厚、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。下壁厚，外径尺寸。第39页/共43页第40页/共43页CCD与与CMOS比较比较图像传感器可以分为两类：图像传感器可以分为两类：1 1、CCDCCD：电荷耦合器件。：电荷耦合器件。CCDCCD的优点是灵敏度高，噪音小，的优点是灵敏度高，噪音小，信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。在网络摄像信噪比大。但是生产工艺复杂、成本高、功耗高。在网络摄像头产品上，很少采用头产品上，很少采用CCDCCD图像传感器。图像传感

28、器。2 2、CMOSCMOS：（：（Complementary Metal-Oxide Complementary Metal-Oxide SemiconductorSemiconductor，互补性氧化金属半导体）。，互补性氧化金属半导体）。CMOSCMOS的优点是集的优点是集成度高，功耗较低、成本低，对光源要求高。成度高，功耗较低、成本低，对光源要求高。CCD CCD和和CMOSCMOS在制造上的主要区别是在制造上的主要区别是CCDCCD是集成在半导体单晶材料是集成在半导体单晶材料上，而上，而CMOSCMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上，工作是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上

29、，工作原理没有本质的区别。原理没有本质的区别。第41页/共43页在相同像素下在相同像素下CCDCCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而光可以保证基本准确。而CMOSCMOS的产品往往通透性一般，对实物的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，原因，CMOSCMOS的成像质量和的成像质量和CCDCCD还是有一定距离的。但由于低廉的还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的价格以及高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。应用。目前，主流的手机用的都是目前，主流的手机用的都是CMOSCMOS传感器，如三星传感器，如三星Galaxy Note Galaxy Note 2 2、iPhone 5iPhone 5、小米、小米2 2、魅族、魅族MXMX四核版、诺基亚四核版、诺基亚Lumia 800Lumia 800等。等。第42页/共43页感谢您的观看。第43页/共43页